авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

Динамика вулканических извержений и её проявление в ударно-волновых и акустических эффектах в атмосфере

-- [ Страница 5 ] --

Во всех случаях разрушение газовых пузырей можно рассматривать как источник с малой плотностью энерговыделения, так как энергия взрывной волны на большом расстоянии от центра точечного химического взрыва с учетом реального уравнения состояния воздуха составляет ~5% энергии взрыва.

Обращает на себя внимание отличие соотношения энергии взрывной волны к энергии процесса почти на порядок для ЮП БТТИ и вулкана КЛЧ. Не исключено, что причиной этого могли быть взрывоспособные вулканические газы, так как на Большом трещинном Толбачинском извержении отмечался ряд явлений (воздушные взрывы, горение газа), которые косвенно указывали на наличие взрывоспособной компоненты в ювенильном вулканическом газе. По-видимому, при разрушении пузыря взрывоспособные вулканические газы при смешивании с кислородом воздуха усиливали эффект «лопающегося пузыря».

ГЛАВА 5. Аэродинамический шум на вулканах и пароводяных

скважинах

Непрерывное истечение различных струй в атмосферу сопровождается шумом аэродинамического происхождения, который обусловлен взаимодействием потока струи с окружающей средой. Аэродинамический шум сопровождает фонтанирование искусственных скважин с различным флюидом (газ, пароводяная смесь, нефть и т.д.) на геологических объектах, а также естественные природные явления, такие как истечение пепло-газовой смеси при некоторых типах вулканических извержений, пароводяных струй гейзеров и фумарол.

В разделе 5.1 приведены краткие теоретические сведения о генерации звука турбулентными потоками.

Раздел 5.2. посвящен исследованию аэродинамического шума при выпусках в атмосферу пароводяной смеси (ПВС) из скважин Мутновского геотермального месторождения (Фирстов, 2005). В табл. 5 приведены термодинамические параметры скважин, на которых регистрировался аэродинамический шум при выпусках ПВС в атмосферу. Термодинамические параметры на этих скважинах изменялись в значительных пределах (расход ПВС QПВС = 9 - 45 кг/с, паросодержание = 0.16 - 0.64), что позволило исследовать интенсивность и частотный состав аэродинамического шума для струй со значительным диапазоном расходов.

Для скважин №№ 1, 04, 03, 24, 16 исследовался шум при полностью открытой задвижке. На оголовках этих скважин был установлен лубрикатор диаметром 106 мм и длиной 160 см. На оголовке скважины 13 лубрикатор отсутствовал; эксперимент на ней проводился на нескольких режимах, регулируемых с помощью задвижки. Обильное выпадение конденсированной воды и высокий уровень звукового давления позволили проводить на этой скважине измерения на расстоянии, начиная с 20 м. Измерения проводились при четырех фиксированных положениях задвижки. Для скважины 01 исследовалась динамика шума и изменение его спектрального состава во время равномерного открытия задвижки.

В табл. 5 приведены: максимальное значение уровня звукового давления на расстоянии 10 м (L10), полученное с помощью октавных фильтров; значения верхней и нижней частоты (fн - fв); среднегеометрическая частота (fcр); ширина полосы (f0.7) для уровня 0.7 октавного спектра. Видно, что октавные спектры Lp аэродинамического шума для всех скважин значительно различаются по абсолютному значению, по преобладающим частотам и ширине полосы аэродинамического шума. Рассматривалась зависимость Lp = f(Qпар) для всех скважин с лубрикатором и для четырех режимов скважины 13.

В процессе запуска скважины № 1 аэродинамический шум непрерывно записывался на магнитофон. Задвижка скважины равномерно открывалась в течение 8 минут, что позволило проследить динамику аэродинамического шума, генерируемого ПВС во время медленного увеличения расхода и изменения паросодержания. На рис. 10б приведены полученные с помощью самописца уровня кривые среднеквадратического значения Lp аэродинамического шума на расстояниях 10 и 20 м.

На спектроанализаторе последовательно анализировались участки записи длительностью около одной минуты, спектры мощности для которых приведены на рис. 10а. По мере открытия скважины и увеличения дебита ПВС наблюдались возрастание уровня аэродинамического шума и трансформация спектров. После первой минуты открытия задвижки спектр шума содержал ряд спектральных пиков с максимумом на частоте f1 = 0.26 кГц и амплитудой 0.5 мВ2.

Таблица 5. Основные параметры скважин и характеристики их аэродинамического шума

№ скв. Температура, °С Теплосодержание, ккал/кг Расход, кг/с Р, кгс/см2 Характеристики аэродинамического шума
ПВС Пара L10, дБ fСР, кГц fН-fВ, кГц f0.7, кГц
1 165 268 23 4.3 0.19 4.2 108 0.7 0.32–1.7 1.38
3 138 253 9,2 1.5 0.16 3.5 96 1.0 0.5 – 2.0 1.5
4 158 25 6.0 0.24 5.5 108 1.7 0.7– 3.2 2.5
13 181 296 45 11.8 0.26 10.4 123 0.6 0.1– 3,0 2.9
40 10.3 0.25 12.0 120 1.0 0.4– 2.4 2.0
25 5.8 0.23 16.0 116 1.0 0.4– 2.4 2.0
7 3.2 0.45 17.6 114 1.4 0.5– 4.0 3.5
16 172 488 29.4 18.9 0.64 7.4 117 3.0 1 – 10 9
24 167 253 28 4.5 0.16 7.7 109 0.9 0.25–1.7 1.45

Примечание; х массовое расходное паросодержание; Р – давление на устье скважины; L10 максимальное значение уровня звукового давления на расстоянии 10 м, полученное с помощью октавных фильтров; fН – fВ значения верхней и нижней частоты; fСР среднегеометрическая частота; f0.7 ширина полосы для уровня 0.7 октавного спектра.

С увеличением дебита ПВС резко увеличивалась амплитуда спектральных пиков и происходила «перекачка» энергии из меньшей дискретной частоты в более высокие: f2 = 0.43 кГц после второй минуты; f3 = 0.64 кГц после третьей минуты; f4 = 0.8 кГц после четвертой минуты. В дальнейшем до 8-ой минуты наблюдалась стабилизация спектра как по частоте, так и по амплитуде - около 6.0 мВ2. После чего спектр несколько расплывается, появляются четко выраженный спектральный пик на частоте f4 = 0.8 кГц с амплитудой 2 мВ2 и небольшой спектральный пик на частоте f1 = 0.26 кГц с амплитудой ~ 1.0 мВ2.

 Эволюция спектров мощности (а) и динамика изменения уровня звукового давления-17

Рис. 10. Эволюция спектров мощности (а) и динамика изменения уровня звукового давления аэродинамического шума при запуске скважины № 1(б).

Проведенные исследования генерации шума при выпусках ПВС в атмосферу из скважин Мутновского геотермального месторождения показали, что уровень звукового давления и спектральные характеристики шума связаны с гидродинамическими параметрами ПВС. В первом приближении наблюдаются линейные зависимости уровня звукового давления от логарифма расхода ПВС Lp = f(lgQПВС) и логарифма среднегеометрической частоты по уровню 0.7 полуоктавных спектров от логарифма массового расходного паросодержания lgfСР = f(lg).

На основании полученных зависимостей, дополненных наблюдениями на специальном стенде, разработана методика экспресс-определения паросодержания по параметрам аэродинамического шума. Результаты наблюдений, выполненных на скважинах и стенде с различными диаметрами выпускных труб, были объединены с использованием нормировки на диаметр. На рис. 11 в билогарифмическом масштабе показано облако точек отношения звукового давления к диаметру трубы Р/d [Па/м] в зависимости от расхода пара Q [кг/с]. Все данные приведены к расстоянию от источника до микрофона в 10 м. Методом наименьших квадратов получено следующее уравнение регрессии: lg(P/d) =(0.79 ± 0.06)lgQпар + (1.5 ± 0.09).

 Зависимость отношения звукового давления аэродинамического шума к диаметру-18

Рис. 11. Зависимость отношения звукового давления аэродинамического шума к диаметру трубы от расхода пара.

1– данные, полученные на стенде «Камчатэнерго», d = 50 мм; 2 – скважины с d = 106 мм; 3 – различные режимы скв. 013, d = 200 мм; 4 – скв. 42.

При выпусках пара во время испытаний расконсервированной скважины №42 диаметром 0.2 м, уровень звукового давления на расстоянии 10 м составил 133 дБ, что соответствует звуковому давлению 89.1 Па. Исходя из полученной выше зависимости, расход пара оценивается (25.0 32.9) кг/с. Оценка расхода, полученная с помощью калориметра, составляет 18 кг/с при сравнительно низком паросодержании 18%, что на 37 % ниже полученной оценки.

В разделе 5.3 рассмотрены экспериментальные данные по регистрации аэродинамического шума, сопровождающего пульсирующее истечение пепло-газовой смеси при эксплозиях вулканского типа. Был проведен анализ данных регистрации аэродинамического шума (АШ) и сейсмических эффектов, сопровождавших пульсирующее истечение пепло-газовой струи в 1978 г. Данные были получены при синхронной работе измерителя шума и вибраций (ИШВ-1) и сейсмического канала со столообразной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне 1-10 Гц, на расстоянии 3.5 км от кратера. Шумомер позволял регистрировать изменение уровня звукового давления в диапазоне 16-10000 Гц с последующей последовательной фильтрацией октавными фильтрами. Проводилась аналоговая запись среднеквадратического значения сигнала, отфильтрованного фильтром со средненоминальной частотой f = 500 Гц, так как максимум спектра звукового давления для аэродинамического шума, сопровождавшего продувки, приходился на 500 Гц. Регистрация велась относительно уровня звукового давления в 50 дБ. В дальнейшем полученные аналоговые записи оцифровывались с временем дискретизации 0.02 с.

Уровень звукового давления АШ, возникающего при истечении струи в атмосферу, зависит от изменения плотности в реальном потоке жидкости, т.е. связан со скоростью истечения и диаметром сопла. Поэтому в нашем случае он является качественным показателем скорости истечения струи. На рис. 12 приведены образцы записей сейсмического сигнала и огибающей АШ с постоянной времени 5 с для двух эксплозий, произошедших в 6h17m и 8h53m 30 августа 1978 г. (GT). Наклонными линиями отмечено расчетное время запаздывания акустического сигнала относительно сейсмического.

Первая эксплозия (продувка) начинается с медленного истечения газо-пепловой смеси из кратера, причем в этом случае регистрируется слабое смещение грунта (< 0.03 мкм) и постепенно нарастающий интенсивный аэродинамический шум, достигающий через одну минуту после начала эксплозии более 80 дБ. Через 01m45s после начала эксплозии в течение 15 секунд образуется серия из 4 воздушных ударных волн, которые диагностируются по крутизне переднего фронта отдельных всплесков на огибающей АШ. Затем возникают периодические пульсации скорости истечения газо-пепловой смеси с периодом Т 2.0 с, которые прослеживаются на записи огибающей АШ в виде квазисинусоидального сигнала, а на записи смещения грунта в виде характерных колебаний со средней амплитудой до 0.08 мкм.

 Копии записей эксплозивных землетрясений и огибающей аэродинамического шума-20

Рис. 12. Копии записей эксплозивных землетрясений и огибающей аэродинамического шума относительно уровня звукового давления 50 дБ после октавного фильтра со средненоминальной частотой f = 500 Гц, сопровождающих эксплозии вулкана Карымский 30 августа 1978 г.

Механизм генерации акустических и сейсмических волн при пульсирующем истечении пепло-газовой смеси на вулкане Карымском рассмотрен в разделе 4.2. В отличие от пульсирующего истечения при эксплозиях в 1997, 1998 гг., при эксплозиях 1978 и 1999 гг. не возникали ударные волны во время продувок, а за счет изменения производительности источника генерировались только инфразвуковые волны. Это связано с тем, что процесс фрагментации магмы может происходить с разной скоростью, которая зависит от таких параметров, как расход и вязкость магмы, весовое содержание летучих, а также от химического состава растворенных в магме газов.

Раздел 5.4 посвящен описанию генерации аэродинамического шума спутным потоком во время разрушения газовых пузырей при стромболианском типе активности (барботирующий режим).

ГЛАВА 6. Волновые возмущения в атмосфере, возникающие в результате турбулентных процессов за счет выброса в атмосферу пирокластического материала

В разделе 6.1 даны общие представления генерации инфразвука конвективными процессами в эруптивной колонне, развитые в работах школы Ю.А. Гостинцева.

В разделе 6.2 приведены результаты изучения инфразвуковых волн, возникающих во время извержений вулкана Безымянного, которые, как правило, сопровождаются сходом и формированием пирокластических потоков (ПП).

Во время извержений вулкана Безымянного в 1983-1986 гг. регистрировались акустические сигналы двух разновидностей - импульсные акустические сигналы (ИАС) и непрерывные колебания инфразвукового диапазона (КИД). На рис. 13 приведены образцы записей ИАС, зарегистрированных во время извержений в октябре 1984 и июне 1985 г. В результате благоприятных условий для распространения звука на трассе БМЗ-АПХ сигналы, сопровождавшие извержение, в октябре 1984 г. записались с большой детальностью.

Рис. 13. Импульсные акустические сигналы, зарегистрированные во время извержений вулкана Безымянного в ноябре 1984 г. и июне 1985г.

Каждый ИАС начинался с высокочастотных колебаний ( = 1-5 Гц), вслед за которыми через 1.5 - 3 с наблюдались низкочастотные колебания с = 0.25 – 0.3 Гц. Высокочастотная составляющая ИАС имела значительные вариации как по частоте, так и по амплитуде Р = 0.5 - 5 Па. Для низкочастотной составляющей характерна глубокая фаза разрежения, время вступления которой изменялось от 4 до 6 секунд. Во время извержения в июне 1985 г. условия распространения АС на трассе БЗМ-АПХ были менее благоприятны. За счет рефракции звуковых лучей происходило значительное ослабление амплитуды ИАС в пункте регистрации (АПХ). В 1985 г. также выделялись две частоты, причем низкочастотный сигнал имел частоту = 0.4 – 0.6 Гц. В процессе извержения также наблюдались изменения и в форме ИАС.

На рис. 14а приведены записи сейсмического и акустического сигналов длительностью 150 с на сейсмической станции АПХ, сопровождавшие сход и формирование трех ПП в октябре 1984 г., которые совмещены по времени появления первого вступления инфразвуковых волн от условной нулевой отметки времени. Для двух сигналов начало извержения хорошо выделяется на сейсмическом канале, после чего через 35 секунд приходит импульсный акустический сигнал, что обусловлено разностью скоростей сейсмических и инфразвуковых волн. Колебания инфразвукового диапазона с характерной частотой = 0.3 – 1.0 Гц возникают через 20-25 с после прихода ИАС. По визуальным наблюдениям формирование восходящей конвективной колонны начинается после первого поворота абразивного желоба, расположенного на расстоянии ~1.5 км от кратера (рис. 2б). По данным фотосъемки развития эруптивного облака скорость фронта ПП оценивается 25 - 35 м/с (рис. 2в). Тогда максимальное время движения фронта ПП от кратера до поворота абразивного желоба составит 30 - 35 с. Данный факт согласуется с предположением о том, что КИД с = 0.3 - 1 Гц возникают во время движения и формирования ПП в результате крупномасштабных турбулентных пульсаций в конвективной колонне.

" width="900" >

Рис. 14. Фрагменты записей акустических и сейсмических сигналов, сопровождавших извержения пирокластических потоков в октябре 1984 г. (а) и спектральная плотность мощности инфразвуковых акустических сигналов (б).

Рассматривалось соотношение между амплитудами акустического и сейсмического сигналов, сопровождавших формирование ПП. Амплитуды обоих сигналов усреднялись в минутных интервалах. Корреляционное поле зависимости lg P = f(lgAc) для извержений ПП приведено на рис. 15а. Зависимость lgP = f(lgAc) для извержения 1984 г. образует компактную группу с коэффициентом корреляции r = 0.93 и может быть аппроксимирована линейной зависимостью lgP, Па = 0.79lgA, мкм + 0.32. Для извержения 1985 г. облако точек lgP = f(lgAc) лежит значительно ниже. Амплитуда АС в 1985 г. почти на порядок меньше по сравнению с извержением 1984 г., причем часть точек образуют компактную группу (11 точек), которая может быть описана зависимостью lgP, Па = 0.59lgA, мкм - 0.52. Пять точек имеют отклонение от линии тренда более чем на 0.3 порядка.

Распространение АС определяется стратификацией атмосферы, которая является движущей средой. Различия в стратификациях скорости звука для всех трех извержений приводят к различным соотношениям интенсивностей акустических и сейсмических сигналов. Как для извержения 1984 г., так же как для извержения 1985 г., точки зависимости lgP = f(lgAc) образуют компактные группы на разных уровнях со смещением почти на порядок по оси х. Две точки извержения 1986 г. расположены в промежуточной области между облаками точек извержений 1984 и 1985 г.

Рис. 15. Корреляционные поля между амплитудами избыточного давления инфразвуковых волн и сейсмических колебаний (а), корреляционное поле между мощностью АС и сейсмических колебаний грунта для ПП извержения 1985 г. (б).

Во время кульминационной стадии извержения вулкана Безымянного 29.06-1.07.1985 г. почти полное отсутствие ветровых помех позволило проанализировать все акустические сигналы с А 0.2 Па. С целью исследования особенностей акустического излучения от ПП различного генезиса оценивались мощности акустического и сейсмического источников.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.